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防護裝甲中的先進陶瓷材料
發布:Iron_MAN10   時間:2020/4/28 15:56:55   閱讀:92 
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自第二次世界大戰末期開始先進陶瓷開始作為一種裝甲材料引起研究人員的關注。伴隨科研人員對應用于裝甲材料后防護的陶瓷材料一系列探索,使其成為當今部分復合裝甲的重要部件之一,本文簡略對裝甲防護材料中的陶瓷材料進行概況性介紹。

(一)先進陶瓷材料的防彈原理

裝甲防護的基本原理是在受到彈頭的沖擊下同時消耗其射彈能量,彈速減弱來達到最終的防護效果。先進陶瓷材料的塑性變形量接近為0,盡管無法跟金屬材料一般通過自身結構產生塑性變形來吸收彈頭帶來的能量,但是在收到彈頭強有力的沖擊時可以通過微破碎過程吸收能量。

先進陶瓷材料吸收能量可分為三個階段:

①初始撞擊階段:當強有力的彈頭撞擊陶瓷表面時,因陶瓷硬度高于彈頭的飛行速度,所以彈頭會產生鈍化,從而在陶瓷表面粉碎形成細小且堅硬碎塊區的過程中吸收掉大約40%的飛行能力。
②侵蝕階段:變形的彈頭憑借剩余的動能繼續侵蝕碎塊區,當陶瓷碎片與其產生巨大摩擦力的時候,彈丸會進一步被吸收掉約30%~40%的飛行動能。
③變形、裂縫和斷裂階段:陶瓷產生張力時會促使其破裂,背板也會隨之變形,彈丸剩余的飛行動能整體上都會被變形的背板材料吸收,以此達到防護的作用。

陶瓷的吸收能力與其硬度、彈性模量有關,硬度越高,彈丸撞擊陶瓷使其彈頭就容易發生鈍化或破碎,彈丸侵蝕陶瓷過程中所消耗的能力也就越多。

(二)防護裝甲用陶瓷材料的性能對比

防彈陶瓷在其性能要求上的要求較為嚴格,包括但不僅限于:密度、硬度、彈性模量、強度、斷裂韌性、斷裂模式、微觀結構等。例如表1所舉例:
 

表1:材料性能對防彈性能的影響

先進陶瓷材料種類眾多,典型的防彈陶瓷材料主要有氧化鋁、碳化硼、碳化硅、氮化硅等,具體性能對比見表2:
 

表2:典型防彈陶瓷材料的性能對比

氧化鋁(Al2O3)密度最高,化學鍵力強,高熔點,具有良好的抗氧化性和化學惰性,價格較為平價,多應用于各類裝甲車輛、軍警防護服等用具。弊端在于高密度、低硬度和斷裂韌性使其抗彈性較低。

碳化硼(B4C)密度最低,硬度最高,共價鍵極強,高熔點、高彈性模量,具有良好的力學性能,多應用于高級軍事裝甲和空間領域。弊端在于價格昂貴,脆性較大,限制了碳化硼的應用領域的拓展。

碳化硅(SiC)共價鍵極強,高強度,高導熱率,耐腐蝕,耐磨損,具有較好的抗熱震性,且性價比高,應用領域較廣。

(三)纖維增韌陶瓷復合材料

軍事人員的裝備對輕質結構防護這一塊的要求很高,為達到快速移動的目的。纖維復合陶瓷材料在很大程度上為提供能量吸收和減輕質量上提供了好的組合方式。用于增韌陶瓷的纖維主要有玻璃纖維和碳纖維,應用其中可以將材料的斷裂應變和彈性模量大幅度提升。而碳纖維與玻璃纖維相比具有更好的優勢:因其由原料纖維高溫燒成,經歷過低溫氧化、中溫碳化、高溫石墨化等工藝,所以強度、模量、熱導率更高,密度低,線膨脹系數小,還耐高溫的優點,是很好的補強增韌陶瓷材料。碳纖維增韌復合材料能最大限度地抑制陶瓷缺陷的體積效應,發揮纖維的增韌和補強作用,以改善陶瓷復合材料的防彈性能。


來源:CERADIR特種陶瓷資訊
 
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